CN110017796A - 一种高精度齿轮齿面光学测量方法 - Google Patents

一种高精度齿轮齿面光学测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高精度齿轮齿面光学测量方法，是在入射光与测量齿面之间设置多面棱镜，测量时将多面棱镜移动至被测齿面的齿槽内，入射光进入棱镜后，经棱镜反光面反射，投射到被测齿面，摄像机从侧面采集反射镜中被测齿面像的图像数据，从而获得全齿面信息。本发明过在光路中增加棱镜，测量光经反射后可投射到整个被测齿面，同时摄像机可以从棱镜中采集到整个被测齿面像的数据，有效解决了齿面遮挡问题，实现全齿面测量。

Description

一种高精度齿轮齿面光学测量方法
技术领域
本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种高精度齿轮齿面光学测量方法。
背景技术
目前，齿轮测量主要采用接触式测头扫描齿面的方法进行。但接触式测量效率低，齿面表述不全面，且测量精度难以进一步提高，无法满足现代齿轮制造业对齿轮测量技术的要求，成为限制齿轮制造技术进步的瓶颈。而光学测量方法具有高效率、高精度、非接触等特点，有望给齿轮测量技术带来革命性的跨越，但目前还无法达到齿面测量的预期精度，其最主要的原因是存在齿面遮挡问题，同时也受测量环境的影响。
齿面遮挡是由于齿轮的结构复杂，在光学测量中，受相邻齿遮挡的影响，测量光无法照射到整个被测齿面或摄像机无法采集全部的齿面数据，从而造成齿面信息的丢失。为避免遮挡，可采用沿齿面正前方大角度进行测量，但该方法因测量光与被测齿面法矢夹角过大，会导致齿面数据提取的准确性下降，甚至无法获取，从而影响测量精度。
齿面高精度光学测量对周围环境比较敏感，尤其在受到空气扰动影响时，测量数据会发生跳动，增加随机误差。因此，如何提高测量系统的抗干扰能力，有效抑制随机误差，提高测量精度，也有待解决。
发明内容
本发明要提供一种高精度齿轮齿面光学测量方法，以克服现有技术存在的因齿面遮挡而造成的问题，同时克服现有技术易受环境因素影响的问题。
为了达到本发明的目的，本发明提供的解决方案是：
一种高精度齿轮齿面光学测量方法，是在入射光与测量齿面之间设置多面棱镜，测量时将多面棱镜移动至被测齿面的齿槽内，入射光进入棱镜后，经棱镜反光面反射，投射到被测齿面，摄像机从侧面采集反射镜中被测齿面像的图像数据，从而获得全齿面信息。
所述多面棱镜是七面棱镜，包括入射面A，涂有反光膜的反光面B，投射光出射面C和数据采集面D；入射面A与数据采集面D成钝角设置，反光面B与出射面C成锐角设置，入射面A、数据采集面D都与出射面C垂直；所述入射光经入射面A直线到达反光面B，反光面B将投射光转向由出射面C射出，投射到被测齿面上，摄像机从数据采集面D采集反光镜中被测齿面像的图像数据。
所述多面棱镜是八面棱镜，包括入射面A，涂有反光膜的反光面B，投射光出射面C，第一数据采集面D和第二数据采集面E；入射面A分别与第一数据采集面D和第二数据采集面E分别成钝角设置，反光面B与出射面C成锐角设置，入射面A、第一数据采集面D、第二数据采集面E分别与出射面C垂直；所述入射光经入射面A到达反光面B，反光面B将投射光转向由出射面C射出，投射到被测齿面上，摄像机分别从第一数据采集面D和第二数据采集面E采集反光镜中被测齿面像的图像数据。
所述多面棱镜是六面棱镜，包括测量面A，涂有反光膜的反光面B，投射光出射面C；测量面A与出射面C垂直，反光面B与出射面C成锐角设置；测量光从测量面A入射，到达反光面B后转向由出射面C射出，投射到被测齿面上，光线经齿面反射后沿相同的路线返回由测量面A射出，摄像机从测量面A采集图像数据。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.通过在光路中增加棱镜，测量光经反射后可投射到整个被测齿面，同时摄像机可以从棱镜中采集到整个被测齿面像的数据，有效解决了齿面遮挡问题，实现全齿面测量。
2.由于本发明减小了测量光与被测齿面法矢间的夹角，增加了齿面数据获取的准确性和可靠性，提高了测量精度。
3.测量光主要在棱镜中传输，受振动、空气扰动的影响小，数据稳定，抗干扰能力强。
4.该发明不仅适用于光三角法测量齿轮齿面中，同样适用于激光干涉法等其他齿轮齿面光学测量方法中。
5.本发明的方法实现时，所用的多面棱镜变化很多，主要面满足要求即可实现本发明的方法。
附图说明
图1为齿面遮挡问题示意图；
图2为沿齿面正前方大角度测量示意图；
图3为齿面无遮挡测量光路示意图；
图4为单视角七面棱镜结构示意图；
图5为单视角七面棱镜安装及测量结构原理图；
图6为双视角八面棱镜结构示意图；
图7为双视角八面棱镜安装及测量结构原理图；
图8为共光程六面棱镜结构示意图；
图9为共光程六面棱镜安装及测量结构原理图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明的方法进行详细地说明。
参见图1，采用现有的光学方法测量时，受相邻齿遮挡的影响，测量光无法照射到整个被测齿面或摄像机无法采集全部的齿面数据，从而造成齿面信息的丢失。
参见图2，为避免遮挡，现有技术采用沿齿面正前方大角度进行测量，但该方法因测量光与被测齿面法矢夹角α过大，且越接近齿根部位α越大，会导致齿面数据提取的准确性下降，甚至无法获取，从而影响测量精度。
本发明提供的一种高精度齿轮齿面光学测量方法，是在入射光与测量齿面之间设置多面棱镜，测量时将多面棱镜移动至被测齿面的齿槽内，入射光进入棱镜后，经棱镜反光面反射，投射到被测齿面，摄像机从侧面采集反射镜中被测齿面像的图像数据，从而获得全齿面信息。
参见图3，图3（a）为测量光的传播路径，入射光进入棱镜后经反射投射到被测齿面实施无遮挡测量；
图3（b）为单视角测量方式，测量光倾斜投射到被测齿面的像上，摄像机从另一面采集被测齿面像的图像数据；
图3（c）为双视角测量方式，测量光垂直投射到被测齿面的像上，摄像机从对称面采集被测齿面像的图像数据。
图3（d）为共光程测量方式，入射光与反射光同路，测量光沿测量面入射，摄像机也沿测量面采集数据。
实施例1：一种单视角的齿轮齿面无遮挡测量光路设计及其实现棱镜。
参见图4，为单视角七面棱镜的结构示意图。主要面包括：入射面A，涂有反光膜的反光面B，投射光出射面C和数据采集面D。入射面A与数据采集面D成135°，反光面B与出射面C成45°，入射面A、数据采集面D分别与出射面C垂直。
参见图5，为单视角七面棱镜的安装及测量结构原理图，由光源、多面棱镜、摄像机和被测齿轮组成。测量时，七面棱镜移动至被测齿面的齿槽内，调整棱镜使出射面C与被测齿面中心法式垂直。光源发出的光通过入射面A进入棱镜后，经过反光面B的反射，经出射面C投射到被测齿面，相当于将测量光直接投射到被测齿面的像上。摄像机对正采集面C采集反射镜中被测齿面像的图像数据。
实施例2：双视角的齿轮齿面无遮挡测量光路设计及其实现棱镜。
参见图6，为双视角八面棱镜的结构示意图。主要面包括：入射面A，涂有反光膜的反光面B，投射光出射面C，第一数据采集面D和第二数据采集面E。入射面A与第一数据采集面D和第二数据采集面E分别成135°，反光面B与出射面C成45°，入射面A、第一数据采集面D、第二数据采集面E分别与出射面C垂直。
参见图7，为双视角八面棱镜的安装及测量结构原理图，由光源、多面棱镜、两台摄像机和被测齿轮组成。测量时，八面棱镜移动至被测齿面的齿槽内，调整棱镜使出射面C与被测齿面中心法式垂直。光源发出的光通过入射面A进入棱镜后，经过反光面B的反射，经出射面C投射到被测齿面，，相当于将测量光直接投射到被测齿面的像上。两台摄像机分别从第一数据采集面D和第二数据采集面E对称的角度采集反射镜中被测齿面像的图像数据。
实施例3：一种共光程齿轮齿面无遮挡测量光路设计及其实现棱镜。
参见图8，共光程六面棱镜结构示意图。主要面包括：测量面A，涂有反光膜的反光面B，投射光出射面C。测量面A与出射面C垂直，反光面B与出射面C成45°。
参见图9，共光程六面棱镜安装及测量结构原理图，由光源、多面棱镜、半反半透镜、摄像机和被测齿轮组成。本实施例的棱镜主要用于共光路测量（如：干涉测量法）。测量时，六面棱镜移动至被测齿面的齿槽内，调整棱镜使出射面C与被测齿面中心法式垂直。光源发出的光入射到半反半透镜上，被反射的光通过入射面A进入多面棱镜，经过反光面B的反射，经出射面C投射到被测齿面，被测齿面反射后透射过半反半透镜，摄像机采集图像数据。

Claims (4)

1.一种高精度齿轮齿面光学测量方法，其特征在于：是在入射光与测量齿面之间设置多面棱镜，测量时将多面棱镜移动至被测齿面的齿槽内，入射光进入棱镜后，经棱镜反光面反射，投射到被测齿面，摄像机从侧面采集反射镜中被测齿面像的图像数据，从而获得全齿面信息。
2.根据权利要求1所述一种高精度齿轮齿面光学测量方法，其特征在于：所述多面棱镜是七面棱镜，包括入射面A，涂有反光膜的反光面B，投射光出射面C和数据采集面D；入射面A与数据采集面D成钝角设置，反光面B与出射面C成锐角设置，入射面A、数据采集面D都与出射面C垂直；所述入射光经入射面A直线到达反光面B，反光面B将投射光转向由出射面C射出，投射到被测齿面上，摄像机从数据采集面D采集反光镜中被测齿面像的图像数据。
3.根据权利要求1所述一种高精度齿轮齿面光学测量方法，其特征在于：所述多面棱镜是八面棱镜，包括入射面A，涂有反光膜的反光面B，投射光出射面C，第一数据采集面D和第二数据采集面E；入射面A分别与第一数据采集面D和第二数据采集面E分别成钝角设置，反光面B与出射面C成锐角设置，入射面A、第一数据采集面D、第二数据采集面E分别与出射面C垂直；所述入射光经入射面A到达反光面B，反光面B将投射光转向由出射面C射出，投射到被测齿面上，摄像机分别从第一数据采集面D和第二数据采集面E采集反光镜中被测齿面像的图像数据。
4.根据权利要求1所述一种高精度齿轮齿面光学测量方法，其特征在于：所述多面棱镜是六面棱镜，包括测量面A，涂有反光膜的反光面B，投射光出射面C；测量面A与出射面C垂直，反光面B与出射面C成锐角设置；测量光从测量面A入射，到达反光面B后转向由出射面C射出，投射到被测齿面上，光线经齿面反射后沿相同的路线返回由测量面A射出，摄像机从测量面A采集图像数据。
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